¿Cuál es el propósito de una puerta de búfer?

Los amortiguadores se utilizan siempre que necesite... bueno... un amortiguador. Como en el sentido literal de la palabra. Se usan cuando necesita almacenar en búfer la entrada de la salida. Hay innumerables formas de usar un búfer. Hay búferes de puertas lógicas digitales, que son transferencias lógicamente, y búferes analógicos, que actúan como transferencias pero para un voltaje analógico. Este último está fuera del alcance de su pregunta, pero si tiene curiosidad, busque 'seguidor de voltaje'.

Entonces, ¿cuándo o por qué usarías uno? ¿Al menos cuando el búfer más simple y económico de todos, un cable/traza de cobre, está fácilmente disponible?

Aquí hay algunas razones:

1. Aislamiento lógico. La mayoría de los búferes tienen un pin ~OE o similar, un pin de activación de salida. Esto le permite convertir cualquier línea lógica en una de tres estados. Esto es especialmente útil si desea poder conectar o aislar dos buses (con búfer en ambos sentidos si es necesario), o tal vez solo un dispositivo. Un búfer, al ser un búfer entre esas cosas, te permite hacer eso.

2. Traducción de niveles. Muchos búfer permiten que el lado de salida se alimente con un voltaje diferente al del lado de entrada. Esto tiene usos obvios para traducir niveles de voltaje.

3. Digitalización/repetición/limpieza. Algunos búferes tienen histéresis, por lo que pueden tomar una señal que se está esforzando mucho por ser digital, pero que simplemente no tiene tiempos de subida muy buenos o no funciona bien con los umbrales o lo que sea, y la limpian y la convierten en una señal digital agradable, nítida y de bordes limpios.

4. Aislamiento físico Tienes que enviar una señal digital más lejos de lo que te gusta, las cosas son ruidosas y un búfer es un gran repetidor. En lugar de un pin GPIO en el extremo receptor con un pie de circuito impreso conectado, actuando como una antena, un inductor y un condensador y literalmente vomitando cualquier ruido y horror que quiera directamente en la boca abierta de ese pobre pin, usa un buffer. Ahora el pin GPIO solo ve el rastro entre él y el búfer, y los bucles actuales están aislados. Diablos, incluso puedes terminar correctamente la señal ahora, como con una resistencia de 50 Ω (o lo que sea), porque también tienes un búfer en el extremo de transmisión y puedes cargarlos de maneras que nunca podrías cargar un pequeño pin µC débil.

5. Conducción de cargas. Su fuente de entrada digital es de alta impedancia, demasiado alta para interactuar realmente con el dispositivo que desea controlar. Un ejemplo común podría ser un LED. Así que usas un búfer. Selecciona uno que pueda manejar, digamos, un fuerte 20mA fácilmente, y maneja el LED con el búfer, en lugar de la señal lógica directamente.

Ejemplo: quiere LED de indicación de estado en algo como un bus I2C, pero agregar LED directamente a las líneas I2C causaría problemas de señalización. Así que usas un búfer.

6. Sacrificio . Los búferes a menudo tienen varias características de protección, como protección ESD, etc. Y a menudo no las tienen. Pero de cualquier manera, actúan como un amortiguador entre una cosa y otra. Si tiene algo que podría experimentar algún tipo de condición transitoria que podría dañar algo, coloque un amortiguador entre esa cosa y la fuente transitoria.

Dicho de otra manera, a los chips les encanta explotar casi tanto como les encantan los semiconductores. Y la mayoría de las veces, cuando algo sale mal, los chips explotan. Sin buffers, a menudo cualquier transitorio que esté haciendo estallar chips a izquierda y derecha penetrará profundamente en su circuito y destruirá un montón de chips a la vez. Los amortiguadores pueden evitar eso. Soy un gran admirador del amortiguador de sacrificio. Si algo va a explotar, prefiero que sea un búfer de 50¢ y no un FPGA de $1000.

Esas son algunas de las razones más comunes que se me ocurren. Estoy seguro de que hay otras situaciones, tal vez obtengas más respuestas con más usos. Creo que todos estarán de acuerdo en que los búferes son terriblemente útiles, incluso si a primera vista parecen bastante inútiles.

Las puertas de búfer simples tienen algunas aplicaciones:

• En los días anteriores, había un despliegue limitado de una salida lógica, cuando se alimentaba a múltiples entradas posteriores. Si no recuerdo mal, fue alrededor de 5 para TTL LS. Entonces, si usó una salida para alimentar más de 5 entradas, los niveles lógicos ya no estaban garantizados. Podrías usar buffers para resolver este problema. Cada búfer podría alimentar otras 5 entradas (con un poco de retraso). Ahora, con CMOS, ya no es realmente relevante, el fanout es mucho mayor y nunca es un problema.
• Se puede utilizar para "amplificar" una señal débil. Si la señal tiene una impedancia muy alta y desea usarla como entrada de un circuito que tiene una impedancia de entrada baja, los niveles lógicos no estarán dentro de las especificaciones. Tal vez este sea el uso en su ejemplo específico.
• Se puede utilizar como una pequeña línea de retardo.
• Por lo general, el búfer tiene una entrada de activación schmitt (pero luego generalmente dibujamos un pequeño signo de "histéresis": ⎎ en el triángulo del búfer, y parece que no es su caso). Entonces, si el nivel lógico está entre alto y bajo, la salida todavía está definida de manera predecible (permanece en el nivel que tiene). Esto tiene muchos usos cuando se conectan señales analógicas (por ejemplo, provenientes de sensores) a entradas digitales.

Aparte de eso, no tiene muchos usos. Es por eso que no los encontramos fácilmente, en realidad.

Los búferes se utilizan cuando se necesitan para cumplir con los requisitos que no son de función, a menudo la velocidad (o la impedancia de entrada/salida, que afecta la velocidad). Un circuito abstracto a menudo no muestra suficientes detalles para apreciar esta necesidad. En su circuito, R1 puede ser demasiado alto para conducir lo que sea que esté conectado a la salida a un nivel bajo de una manera rápida y confiable.

Otra razón podría ser que el búfer contenga protección de salida (limitación de corriente, protección ESD).